Teilchenphysik: 10 mehr oder weniger gewichtige Teilchen
Sie sind nicht nur Leichtgewichte, sondern auch die Exoten im Teilchenzoo: fast lichtschnell, mit verschwindend geringer Masse und kaum mit Materie wechselwirkend. Insgesamt bringt ein Neutrino weniger als 0,000002 Megaelektronvolt – die Maßeinheit für die Masse von Elementarteilchen – aufs Tablett. Ihr Nachweis ist wegen ihrer elektrischen Neutralität sehr schwierig, doch rücken sie nun wieder verstärkt in den Fokus der Forschung. 2012 erlangten sie sogar kurzzeitig Ruhm, als sie schneller als erlaubt und damit schneller als das Licht die Strecke von Genf zu einem Detektor im Gran-Sasso-Massiv bei Rom zurückgelegt haben sollten. Später stellte sich dies als schlichter Kabelfehler heraus. Dabei sind die Neutrinos ohnehin schon spannend genug: Ungeklärt ist zum Beispiel die Frage, ob es sie auch in steriler Form gibt.
Der ein oder andere hätte wohl eher das Elektron als Leichtgewicht unter den Elementarteilchen vermutet: Mit 0,511 Megaelektronvolt stellt es die Neutrinos allerdings bereits in den Schatten. Und seine negative Ladung macht es leichter detektierbar. Übergeordnet wichtig sind Elektronen für die Chemie, da sie als eine Art Hülle Atome und Ionen umgeben und deren Eigenschaften beziehungsweise Wechselwirkungen mit anderen Atomen und Ionen bestimmen. Doch auch die Physiker verlieren das Elektron nicht aus den Augen: Erst kürzlich wurde es extrem exakt vermessen. Die dabei festgestellte nahezu perfekte Kugelform bringt nun das Gedankengebäude der Supersymmetrie gehörig ins Wanken, denn erwartet worden war eigentlich ein gestauchtes Elektron.
Quarks stellen im Standardmodell der Teilchenphysik die elementaren Bestandteile dar, aus denen sich zum Beispiel die Atomkerne zusammensetzen. Sie bilden dabei eine ganze Familie, von denen das so genannte Up-Quark mit 2,3 Megaelektronvolt das leichteste Mitglied ist. Zusammen mit dem etwa doppelt so schweren Down-Quark baut es Protonen (2 up, 1 down) und Neutronen (1 up, 2 down) auf. Up und down stehen dabei nicht für räumliche Orientierungen, sondern für ihren jeweiligen Isospin – eine Hilfsgröße zur Beschreibung von Proton und Neutron.
Das Myon ist so etwas wie der große Bruder des Elektrons: Es ist negativ geladen, weist einen halbzahligen Drehimpuls auf und unterliegt der elektroschwachen, aber nicht der starken Wechselwirkung. Allerdings wiegt ein Myon 105 Megaelektronvolt – es fällt mehr als 200-mal schwerer aus. Wie das nachfolgende Pion wiesen Physiker es 1937 zuerst in der kosmischen Höhenstrahlung nach. "Praktischen Nutzen" hat das Myon in der Atomphysik, wo man mit seiner Hilfe beispielsweise die Größe des Protons vermessen kann.
Verglichen mit einem Elektron ist ein Pion bereits ein Schwergewicht: Es wiegt 230-mal so viel und bringt damit 140 Megaelektronvolt auf die "Waage". Allerdings ist es instabil und zerfällt – wenn es geladen ist – entweder in ein Myon und ein Neutrino oder in ein Elektron und ein Neutrino. Es gehört zur Familie der so genannten Mesonen und unterliegt der starken Wechselwirkung; zudem besteht es aus einem Quark und dessen Gegenspieler, einem Anti-Quark. In dieser Verwandtschaft ist es das leichteste Mitglied. Vorhergesagt wurde es bereits 1934 durch den späteren Nobelpreisträger Hideki Yukawa aus Japan, tatsächlich nachweisen konnten es Physiker 1957 in der kosmischen Höhenstrahlung.
Neben Elektron und Neutron gehört das Proton zu den bekanntesten Teilchen. Und es ist das einzige Hadron, das stabil ist und nicht in seine Einzelteile zerfällt. Es wiegt bereits 938 Megaelektronvolt und unterliegt im Atomkern vor allem der starken Wechselwirkung, die auch als Kernkraft bezeichnet wird. Allgemein gliedert sich das Proton in die Familie der Baryonen ein: die schweren Teilchen, von denen es allerdings wiederum das leichteste ist. Lange dachte man auch, das Proton sei praktisch völlig verstanden: Es ist einer der Hauptbestandteile aller Materie, die uns umgibt, der Brennstoff der Sterne im Universum und der Kern des Wasserstoffatoms, des am besten untersuchten Atoms überhaupt. Doch das war ein Trugschluss, denn nicht einmal seine exakte Größe ist bislang bekannt.
Quarks sind ziemlich fiese Teilchen, denn sie sind nicht nur schwer nachweisbar, sondern lassen sich auch kaum vermessen: Sie treten immer nur in Gruppen und nie einzeln auf, weshalb man aus dem Gesamtgewicht dieser Gemeinschaft das Einzelgewicht herausrechnen muss. Das Charm-Quark bildet hiervon keine Ausnahme; mit seinen errechneten 1275 Megaelektronvolt übertrifft es immerhin schon das Proton um gut ein Drittel. Wie seine Quarkkollegen und die Familie der Leptonen – Elektron, Myon und Tau-Lepton – zählt es zu den Materieteilchen, aus denen Menschen, Tiere, Pflanzen und Planeten bestehen. Der Name Charm-Quark geht angeblich darauf zurück, dass die Entdecker fasziniert und erfreut waren über die "Symmetrie, die es in die subatomare Welt" brachte.
Mit dem Z-Boson wird es langsam richtig schwer in der Welt der Teilchen, denn es erreicht bereits mehr als 90 000 Megaelektronvolt. Zusammen mit dem verwandten W-Boson überträgt es die schwache Wechselwirkung, eine der vier Grundkräfte der Physik, die aber im Gegensatz zur Gravitation und dem Elektromagnetismus nur auf kürzeste Distanzen wirken kann. Erstmals direkt nachgewiesen wurde ein Z-Boson 1983 in einem Teilchenbeschleuniger am CERN in Genf. Doch damit ist die Arbeit an dem Teilchen nicht beendet: Mittlerweile suchen Physiker in den riesigen Datenmengen des LHC nach Hinweisen auf schwere Verwandte von W- und Z-Bosonen, die so genannte vierte Generation dieser Teilchen.
Unter den Teilchen dürfte das Higgs-Boson der Popstar sein – spätestens seit seinem Nachweis 2012 am LHC in Genf. Lange hatte es von seiner Postulierung durch Peter Higgs und andere Physiker in den 1960er Jahren bis zu diesem Durchbruch gedauert. Dabei ist es mit 125 000 Megaelektronvolt ein recht schwerer Brocken, der jedoch leider extrem instabil ist: Das Higgs-Boson zerfällt bereits nach 10-22 Sekunden wieder. Mit seiner Entdeckung beginnt aber auch erst die Erforschung des Bosons: Warum hat es eine Masse von etwa 133 Protonen, obwohl das Teilchen theoretisch viel schwerer sein müsste? Und warum tritt es nicht erst bei Energien auf, wie sie unmittelbar nach dem Urknall herrschten? Die Physik des 21. Jahrhunderts bleibt spannend.
Das Top-Quark ist der Blauwal im Teilchenzoo – beziehungsweise die Durian im Teilchenfrüchtekorb: Mit 173 000 Megaelektronvolt liegt es in der Größenordnung ungefähr auf einer Höhe mit dem Goldatom. Es ist naturgemäß extrem instabil und zerfällt schon nach 4,2 mal 10-25 Sekunden, was es zum fragilsten der Quarks macht. Um es zu erzeugen, benötigt man zudem gewaltige Energien, weshalb es 17 Jahre von der Theorie bis zum tatsächlichen Nachweis 1994 gedauert hat. Dass die Geschichte der Quarks damit ganz erzählt wäre, stimmt allerdings nicht, denn nun widmen sich die Physiker der Suche nach unbekannten Materiezuständen – darunter den rätselhaften Multiquarks.
Schreiben Sie uns!
3 Beiträge anzeigen